Wachsen Haare schneller, wenn man sie öfter schneidet?
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Erkenntnisweg Biologiedidaktik 5, 7-21 7
Wachsen Haare schneller, wenn man sie öfter schneidet?
Eine Untersuchung über Vorstellungen zum Experimentieren
Kai Niebert & Harald Gropengießer
niebert@biodidaktik.uni-hannover.de – gropengiesser@biodidaktik.uni-hannover.de
Universität Hannover, Naturwissenschaftliche Fakultät,
Institut für Biologiedidaktik, Bismarckstr. 2, 30173 Hannover
Zusammenfassung
Naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen sind in den letzten Jahren zentraler Be-
standteil naturwissenschaftlichen Unterrichts geworden. Diese Untersuchung befasst sich im
Rahmen des Modells der Didaktischen Rekonstruktion mit den Vorstellungen zur Planung
von Untersuchungsdesigns. Dazu wurden Lerner aus Biologie-Leistungskursen, Klasse 12
im Rahmen einer qualitativen Studie aufgefordert, ein Untersuchungsdesign zur Problem-
stellung »Haare wachsen schneller, wenn man sie öfter schneidet.« zu erstellen. Dabei konn-
ten Denkfiguren zu »rezeptartigen« und »wissenschaftsorientierten« Untersuchungsschema-
ta identifiziert werden.
Abstract
In recent years, teaching the scientific methods has become a central aspect of science
education. The aim of this qualitative study was to investigate students’ and scientists’ con-
ceptions of the scientific experiment. The results of interviews with students in intensive bi-
ology-courses, within the twelfth grade of German Secondary School are presented. The stu-
dents were presented the statement »Hair grows faster when you cut it more often.« Students
used one of two different concepts of research-designs: either a »recipe-like concept«, or a
more »scientific concept« of experimentation.
1 Einleitung
»Ein Experiment ist, wenn man sich einem Problem widmet. Man untersucht
etwas und dann stellt man einen Lehrsatz auf.« (Jana, 18)
Tagtäglich begegnen wir Problemen. In der Regel sind wir uns dabei des
Problems gar nicht bewusst, sondern lösen es einfach. Irgendwie. Wir alle ver-8 K. Niebert & H. Gropengießer fügen somit über Vorstellungen vom Problemlösen, die wir lebensweltlich aus persönlichen Erfahrungen und Erlebnissen heraus konstruieren. Über welche Vorstellungen aber verfügen Lerner zum Experimentieren? Welche Vorstellun- gen explizieren Wissenschaftler über das Experimentieren? Diesen Fragen widmet sich die vorliegende Untersuchung. Mit naturwissenschaftlichem Experimentieren scheinen Lerner große Schwierigkeiten zu haben: In den PISA-Studien (OECD 2001; OECD 2004) zeigte sich, dass mehr als ein Viertel der deutschen Lerner auf dem untersten Kompetenzniveau eingeordnet wurden, während nur drei Prozent das oberste Kompetenzniveau erreichten. Ziel der Untersuchung ist es, Ansätze zur Optimierung von Lehr-Lern- Prozessen zum Experimentieren als Teil des naturwissenschaftlichen Arbeitens zu entwickeln. Dafür wurden die Vorstellungen von Lernern und Wissenschaft- lern zur Erstellung eines Untersuchungsdesigns und zu verschiedenen Aspekten des Experimentierens erfasst, um sie in einem wechselseitigen Vergleich ge- genüberzustellen. 2 Theorie 2.1 Konstruktivistische Vorstellungen vom Lernen Der Kern der konstruktivistischen Sichtweise des Lernens wird von einem Pa- radigma gebildet, nach dem Lerner sich ihr Wissen in einem aktiven und selbst gesteuerten Prozess konstruieren (GERSTENMAIER & MANDL 1995, 883). Ver- fügbare Vorstellungen bilden dabei den Rahmen zur Konstruktion von Wissen (DUIT 1995, 905). Der dieser Untersuchung zugrunde liegende moderate Kon- struktivismus akzeptiert – im Gegensatz zu seiner radikalen Variante – eine Welt außerhalb des menschlichen Bewusstseins, indem eine „doppelte Termi- niertheit von Objekt und Subjekt“ (TERHART 1999, 641) beschrieben wird, die die Sachebene (die Welt außerhalb des Individuums) und die Beobachterper- spektive (die Welt innerhalb eines Individuums) enthält. Durch die Erarbeitung von Wissen durch das Individuum wird Wissen als individuelles und subjektives Konstrukt betrachtet. Dabei kann Wissen nicht einfach durch die Sinnesorgane passiv aufgenommen werden, sondern muss im Gehirn des Lernenden neu geschaffen werden. „Wissen stammt also nicht aus irgendeiner externen Quelle, sondern ist vom Individuum generiert“ (GERS- TENMAIER & Mandl 1995, 875). Dies bedeutet, dass Wissen nicht einfach von Person zu Person weiter gegeben werden kann.
Wachsen Haare schneller, wenn man sie öfter schneidet? 9 Lernen im Sinne von Wissenserwerb wird dabei als Aufbau und kontinuier- liche Modifikation von Wissensrepräsentationen verstanden (STEINER 2001, 164). Es muss somit als eine aktive Konstruktion auf Basis vorhandener Vor- stellungen betrachtet werden (DUIT 1995, 905), wobei Wahrnehmungen in Ab- hängigkeit von Vorwissen und bestehenden Überzeugungen interpretiert wer- den (GERSTENMAIER & MANDL 1995, 874). Das heißt, Lerner begegnen einem neuen Bereich in der Regel nicht inhaltsleer: Sie bringen bestimmte Vorstel- lungen mit, die häufig lebensweltlicher Herkunft sind. Diese lebensweltlichen Vorstellungen können verschieden von den wissenschaftlichen Vorstellungen sein und sich gegenüber Vermittlungsversuchen als sehr resistent erweisen. So konnten DUIT & TREAGUST (1998) zeigen, dass Lerner dazu neigen, sich nicht von empirischen Ergebnissen überzeugen zu lassen. Die Vorstellungen, die Lerner mit in den Unterricht bringen, können sowohl lernhinderlich sein, wenn ihnen eine Anknüpfung der wissenschaftlichen Vorstellungen an lebensweltli- che Vorstellungen nicht gelingt (DUIT 1995), als auch lernförderlich sein, wenn sie als Ausgangspunkt eines Lernprozesses dienen (KATTMANN 2003). 2.2 Science Discovery as Dual Search (SDDS) KLAHR (2002) schlägt vor, naturwissenschaftliche Forschung als einen „kom- plexen Prozess des Problemlösens“ zu betrachten. Eine Problemlösung beginnt an einem Ausgangspunkt (das Problem) und hat einen Zielzustand (das gelöste Problem), der Weg dazwischen wird als »Suche im Problemraum«, oder auch »Problemlösungsprozess« bezeichnet. Dabei wird davon ausgegangen, dass naturwissenschaftliches Forschen eine Suche in zwei Räumen (Dual Search) ist: dem »Hypothesen-Suchraum« und dem »Experiment-Suchraum«. Hypothesen-Suchraum: Der Hypothesen-Suchraum beginnt in der Samm- lung von Wissen aus einem Bereich und endet in der Formulierung einer Hypo- these. Die Suche im Hypothesen-Suchraum wird geleitet von vorhandenem Wissen (Konzepte, Theorien) und Ergebnissen von Experimenten (Fakten). Experiment-Suchraum: Die Suche im Experiment-Suchraum befasst sich damit, ein Experiment zu entwerfen, das durch die Kontrolle bestimmter Vari- ablen interpretierbare Ergebnisse liefert. Geleitet wird die Suche von einer vor- handenen Hypothese. Genauso kann diese Suche aber auch der Vorbereitung einer Formulierung von Hypothesen dienen.
10 K. Niebert & H. Gropengießer
3 Fragestellungen
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Lernen und Lehren des Experimen-
tierens als Teil des naturwissenschaftlichen Arbeitens zu optimieren. Dazu sol-
len mithilfe der Didaktischen Rekonstruktion die Vorstellungen von Lernern
und Wissenschaftlern kritisch analysiert werden, um daran anschließend unter-
richtliche Leitlinien zu entwerfen. Dafür sollen folgende Teilfragen untersucht
werden:
Welche aktuellen fachwissenschaftlichen (wissenschaftstheoretischen) Kon-
zepte vom Experimentieren liegen bei den Schülern und Wissenschaftlern vor?
Inwieweit sind Lerner in der Lage, zu der gegebenen Problemstellung (Kon-
text) ein naturwissenschaftliches Vorgehen zu planen?
Haben Lerner ein metakonzeptuelles Verständnis von der Planung einer Un-
tersuchung? Sind Lerner somit in der Lage, Schritte, Aspekte und Kriterien ei-
ner solchen Untersuchung zu benennen?
Es wird also sowohl untersucht, ob ein konkretes Problem gelöst werden
kann, als auch, ob und wieweit die Lerner über ein metakonzeptuelles Ver-
ständnis vom Experimentieren verfügen, und darüber hinaus, in welcher Bezie-
hung die Problemlösefähigkeit und das Verständnis stehen.
4 Untersuchungsdesign: Das Modell der
Didaktischen Rekonstruktion
Das Forschungsmodell der Didaktischen Rekonstruktion ist als theoretischer
und methodischer Rahmen für die Planung, Durchführung und Evaluation
fachdidaktischer Forschungsarbeiten, mit dem Ziel der Gestaltung nachhaltiger
und fruchtbarer Lehr-Lernprozesse, entwickelt worden (KATTMANN & GRO-
PENGIEßER 1998, 3). Ausgangspunkt war die Einsicht, dass für die Gestaltung
optimaler Unterrichtsprozesse Fachwissen nicht einfach aus wissenschaftlichen
Kontexten herausgetrennt und in schulische Lernsituationen unbesehen über-
nommen werden kann. Vielmehr hat es sich als sinnvoll erwiesen, fachliches
Wissen unter didaktischen Gesichtspunkten einer Revision zu unterziehen, und
es mit Blick auf das Wissen der Lerner didaktisch zu strukturieren. Im Prozess
dieser Didaktischen Rekonstruktion werden die Vorstellungen von Lernern in
gleicher Weise geachtet wie die von Wissenschaftlern. Denn letztlich handelt
es sich bei dem von Wissenschaftlern geäußerten Wissen auch nur um „persön-
liche Konstrukte“ (KATTMANN & GROPENGIEßER 1998, 3), wenngleich dieses
Wissen stärker geprüft, expliziter und reflektierter ist als lebensweltliches Wis-Wachsen Haare schneller, wenn man sie öfter schneidet? 11
sen. Auch wenn die Vorstellungen der Lerner als nicht kongruent mit denen
von Wissenschaftlern identifiziert werden, haben sie ihre Tauglichkeit in der
Regel in alltäglichen Lebenszusammenhängen erwiesen, zumindest aber in Er-
klärungskonstrukten der jeweiligen Lerner.
5 Methodik
Da Vorstellungen nach der konstruktivistischen Sichtweise vom Lernen von
jedem Individuum selbst konstruiert werden, muss sich auch die Forschungs-
methode zur Erfassung individueller Vorstellungen daran ausrichten. Dafür er-
schienen qualitative Erhebungs- und Auswertungsmethoden adäquat, weil es
darum ging, unterschiedliche, individuelle Wissenskonstrukte in ihrer Vielfalt
zu erfassen. Die qualitativ erfassten Kategorien von Vorstellungen zum Expe-
rimentieren sind dann überhaupt erst eine Grundlage für quantitative Forschung
(MAYRING 2003, 19).
Die Erhebung der Lernervorstellungen erfolgte mittels problemzentrierter
Einzelinterviews, die durch einen Leitfaden strukturiert und anschließend quali-
tativ ausgewertet wurden. Eine qualitative Inhaltsanalyse als Untersuchungs-
methode war an dieser Stelle adäquat, weil sie sich durch Problemzentrierung,
Offenheit und Interaktivität auszeichnet (GROPENGIEßER 2005, 175).
Da das Lehren naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen, speziell die Planung,
Durchführung und Dokumentation von Experimenten, expliziter Inhalt der nie-
dersächsischen Rahmenrichtlinien für die gymnasiale Oberstufe (1999, 7, 12ff.,
36f.) ist, wurden für die Untersuchung Lerner ausgewählt, die den 12. Jahrgang
besuchten und in der Kursstufe einen Leistungskurs Biologie belegt hatten.
Für die Untersuchung wurden insgesamt zehn Interviews geführt, von denen
drei für die anschließende Auswertung herangezogen wurden. Die Auswahl der
auszuwertenden Interviews erfolgte anhand folgender Kriterien: a) größtmögli-
che Varianz der Lernervorstellungen, b) Kommunikativität der Lerner und c)
technische Qualität der Aufzeichnung.
Die Entwicklung eines Untersuchungsplanes ist ein hauptsächlich kognitiver
Prozess. Damit wird allerdings nur ein Teil der zum Experimentieren benötig-
ten Kompetenz in den Blick genommen: Experimentieren ist in der Umset-
zungsphase auch mit einem hohen Maß an psychomotorischen Fähigkeiten
verbunden. In dieser Untersuchung soll jedoch das Augenmerk auf die Ent-
wicklung eines Untersuchungsdesigns gelegt werden.12 K. Niebert & H. Gropengießer 6 Ergebnisse und Diskussion In der Untersuchung wurden die Vorstellungen von Lernern und Wissenschaft- lern bzw. Wissenschaftstheoretikern zum Experimentieren als naturwissen- schaftliche Denk- und Arbeitsweise (siehe 6.1) erhoben. In der Auswertung wurde dabei zwischen den Vorstellungen, die die Lerner im Kontext »Wachsen Haare schneller, wenn man sie öfter schneidet?« (siehe 6.2) und auf der Meta- ebene »Welche Schritte geht man, um eine naturwissenschaftliche Problemstel- lung zu lösen?« äußerten (siehe 6.3), unterschieden. Schließlich wurde auch die Qualität der einzelnen Untersuchungsdesigns unabhängig von den dabei ge- machten Schritten untersucht (siehe 6.4). 6.1 Wissenschaftlervorstellungen zum Experimentieren Überraschend war, dass sich bei der fachlichen Klärung des »Experimentie- rens« kein aktuelles und autoritatives Werk zum Experimentieren in der Biolo- gie finden ließ, was auch durch die Leitung der Zentralen Einrichtung für Wis- senschaftstheorie und Wissenschaftsethik (ZEWW) der Universität Hannover bestätigt wurde. Deshalb wurde für die Fachliche Klärung auf die historische Quelle »Logik der Forschung« (POPPER 1935) zurückgegriffen, relativiert und ergänzt durch einschlägige Aufsätze der »Enzyklopädie der Philosophie und Wissenschaftstheorie« (MITTELSTRASS 2002) und konkretisiert durch den Un- tersuchungsplan eines befragten Fachwissenschaftlers. Zusammenfassend kann Experimentieren in der Biologie wie folgt beschrie- ben werden: Das Experiment ist eine Methode, mit der im Erkenntnisprozess Beschrei- bungen und Erklärungen erlangt werden sollen. Das Vorgehen eines Naturwis- senschaftlers ist in der Regel ein deduktives, da eine gültige Verallgemeinerung von Ergebnissen mithilfe der Induktion nicht möglich ist. Ein Experiment wird von einer vorher aufgestellten Hypothese geleitet und ist damit bis zu einem gewissen Grade theoriegeleitet. Die Entwicklung eines Untersuchungsdesigns findet somit aufgrund der in der Hypothese definierten Vorannahmen statt. Die Biologie versucht mit ihrer Forschung Erklärungen und Beschreibungen in ver- schiedenen Dimensionen zu liefern – in der Regel auf der Basis der in Tabel- le 1 dargestellten Aspekte für naturwissenschaftliche Untersuchungen.
Wachsen Haare schneller, wenn man sie öfter schneidet? 13
Tab. 1: Aspekte naturwissenschaftlichen Experimentierens.
Formulierung einer naturwissenschaftlichen Fragestellung
• Eingrenzung eines Phänomens auf einen naturwissenschaftlich
untersuchbaren Bereich
• Formulierung einer Fragestellung für die Untersuchung
Klärung des theoretischen Rahmens
• Theorien zum Untersuchungsfeld zusammentragen
• Vergleich konkurrierender Theorien
Hypothesenbildung
• Hypothesenbildung aufgrund des geklärten theoretischen Hinter-
grunds
• Falsifizierbarkeit der Hypothese
Untersuchungsdesign entwickeln
• Isolation (Störfaktoren ausschließen / randomisieren)
• Experiment auf Untersuchung von Beschreibungs- und Erklä-
rungsebene ausrichten
• Wiederholbarkeit sicherstellen
• Entscheidbarkeit des Experiments sicherstellen
• Verallgemeinerbarkeit prüfen
• Vergleichs-/Kontrollgruppe einbeziehen
Durchführung des Experiments
• Zugänglichkeit des Untersuchungsmaterials und der Instrumente
herstellen
• Vorbereitung des Untersuchungsmaterials und der Instrumente
• Sammlung der Daten
Datenaufbereitung
• graphisch, tabellarisch etc.
• eventuelle Anwendung statistischer Methoden
• Vorbereitung anschließender Auswertung
Auswertung der Daten und Schlussfolgerung
• Interpretation der Daten anhand der zugrunde liegenden Theorie
• Stimmigkeit der Daten zur Hypothese prüfen, ggf. Formulierung
einer Störhypothese
• Möglichkeit zur Stützung oder Falsifikation der Hypothese prüfen
• evtl. Verfeinerung der Eingangshypothese
• Formulierung neuer Fragen
Kommunikation
• Darstellung der Ergebnisse in geeigneter Form
• Diskussion innerhalb der Wissenschaftler-Gemeinschaft
Folgt man Paul Feyerabends These des »anything goes« (FEYERABEND 1983),
lässt sich naturwissenschaftliches Denken und Arbeiten nicht in Schemata pres-
sen. Die in der Tabelle aufgeführten Punkte stellen somit eine Zusammenstel-
lung von Aspekten, aber keine zwingende Abfolge dar.14 K. Niebert & H. Gropengießer
6.2 Lernervorstellungen zum Experimentieren im Problemkontext
Die erhobenen Vorstellungen zum Vorgehen beim Experimentieren werden als
Konzepte kategorisiert, um sie besser vergleichen zu können. So ist es möglich,
Gemeinsamkeiten und Unterschiede in den jeweiligen Vorstellungen zu identi-
fizieren.
Im Laufe der Interviews zeigte sich, dass für alle Lerner eine Untersuchung
in mehrere Abschnitte gegliedert ist. Die einzelnen Schritte, die die Probanden
in ihren Untersuchungsdesigns ansprechen, sind im Folgenden tabellarisch dar-
gestellt. Aufgeführt ist dabei nicht, ob sie diesen Schritt explizit benennen
konnten. Kriterium für die Aufnahme war ausschließlich, dass der Untersu-
chungsschritt in der Planung berücksichtigt wurde.
Im Folgenden soll exemplarisch der Lösungsansatz von Jana vorgestellt
werden, bevor anschließend die Lernervorstellungen verallgemeinert werden
(Tab. 2).
Tab. 2: Auszüge aus Janas Vorstellungen vom Untersuchungsdesign.
Lerneräußerung Untersuchungsschritt
»Die Frage ist, ob das Haar ein Abfallprodukt ist und Formulierung der
ob der Abfall zunimmt, wenn man das Haar ab- Fragestellung
schneidet?«
»Ich müsste mich informieren und alles, was es über Klärung des theoreti-
Haare gibt herausfinden.« schen Rahmens
»Allgemein würde ich sagen: der Haarwuchs ist nach Hypothesenbildung
dem Schneiden nicht stärker, weil [...]«
»Ich messe bei 300 Personen: Der Kopf wird halbsei- Untersuchungsdesign
tig geschnitten und anschließend drei Wochen lang, entwickeln
alle sieben Tage gemessen. Die Haarlängen der
Kopfhälften stelle ich dann in Proportion.«
»Wenn ich mit einer Methode Ergebnisse erhalten Wiederholung,
habe, versuche ich sie auf eine andere Art und Weise Verbesserung der Unter-
zu überprüfen. Zum Beispiel herausfinden, warum suchung
Haare schneller wachsen. [...] Ich würde immer gu-
cken, ob man das Experiment auch noch besser ma-
chen kann.«
»Dann würde ich die Ergebnisse auswerten [...] und Auswertung der Daten,
schließlich einen Lehrsatz aufstellen« Verallgemeinerung
Kategorisiert man die Vorstellungen der drei untersuchten Lerner, finden sich
folgende Untersuchungsschritte (Tab. 3):Wachsen Haare schneller, wenn man sie öfter schneidet? 15
Tab. 3: Strukturvergleich der entwickelten Untersuchungsdesigns.
Jana Hans Steffen
Problem erkennen Problem erkennen
↓ ↓
Fragestellung
↓
Klärung des Klärung des
theoretischen Rahmens theoretischen Rahmens
↓ ↓
Ηypothesenbildung
↓
Untersuchungsdesign Untersuchungsdesign
entwickeln entwickeln
↓ ↓
Durchführung einer Durchführung einer Durchführung einer
Untersuchung Untersuchung Untersuchung
↓ ↓ ↓
Verbesserung Verbesserung
der Untersuchung der Untersuchung
↓ ↓
Wiederholung Wiederholung
↓ ↓
Auswertung der Auswertung der Auswertung der
Daten Daten Daten
↓
Verallgemeinerung
Es wird deutlich, dass die drei Lerner ein unterschiedlich elaboriertes Ver-
ständnis vom Experimentieren haben: Für Jana und Steffen beginnt die Unter-
suchung bei der Problemstellung und geht über die Entwicklung eines Untersu-
chungsdesigns bis zur Auswertung der Daten. Dabei sind auch Unterschiede
zwischen Jana und Steffen erkennbar. Für Hans hingegen beginnt die Untersu-
chung erst mit dem eigentlichen Experiment, das er durchführt und schließlich
auswertet.
Die Herangehensweisen lassen sich somit in zwei Denkfiguren kategorisie-
ren, die im Folgenden »wissenschaftsorientiert« und »rezeptartig« genannt
werden. Sie sind wie in Tabelle 4 dargestellt charakterisiert.
Aus der theoretischen Perspektive von KLAHR (2002) wird deutlich, dass
Lerner den »Hypothesen-Suchraum« und »Experiment-Suchraum« unter-
schiedlich nutzen. Hans, der ein rezeptartiges Vorgehen plant, konzentriert sich
ausschließlich auf das Experiment an sich, ohne nach Theorien oder Hypothe-
sen zu suchen und schließlich das Experiment aus ihnen abzuleiten. Er bewegt16 K. Niebert & H. Gropengießer
sich mit dem rezeptartigen Vorgehen somit ausschließlich im »Experiment-
Suchraum«. Jana und Steffen hingegen, die – mehr oder weniger differenziert –
ihrem Experiment Hypothesen und Theorien voranstellen, nutzen bei ihrem
wissenschaftsorientierten Vorgehen zusätzlich den »Hypothesen-Suchraum«.
Tab. 4: Denkfiguren zu naturwissenschaftlichen Untersuchungen.
Wissenschafts-
Rezeptartig
orientiert
Problem erkennen
↓
Fragestellung
↓
Sammlung von Hypothesen-
Informationen Suchraum
↓ (nach KLAHR)
Hypothesenbildung
↓
Untersuchungsdesign
entwickeln
↓
Durchführung einer Durchführung einer Experiment-
Untersuchung Untersuchung Suchraum
↓ ↓ (nach KLAHR)
Verbesserung der Verbesserung der
Untersuchung Untersuchung
↓ ↓
Wiederholung
↓
Auswertung Auswertung
der Daten der Daten
↓
Verallgemeinerung
Die Nutzung eines »rezeptartigen« oder »wissenschaftsorientierten« Unter-
suchungsschemas könnte auf die bisherigen unterrichtlichen Experimentierer-
fahrungen der Lerner zurückzuführen sein: In der Regel werden schulische Ex-
perimente als so genannte Einführungsexperimente oder Bestätigungsexperi-
mente durchgeführt, die rezeptartig umgesetzt werden (KÖHLER 2004, 164).
Dabei müssen die Lerner das Experiment meist nicht selbst planen, sondern le-
diglich eine vorgegebene Versuchsanleitung durchführen und die erhaltenen
Ergebnisse deuten (also auch den »Experiment-Suchraum« nur teilweise nut-
zen). Damit bleibt ihnen ein entscheidender Aspekt des Experimentierens – das
selbstständige Entwickeln eines Untersuchungsdesigns über eine Theorie bzw.Wachsen Haare schneller, wenn man sie öfter schneidet? 17
Hypothese aus einer Problemstellung – vorenthalten. Vergleicht man das wis-
senschaftsorientierte Vorgehen der Lerner mit wissenschaftlichen Kriterien des
Experimentierens (siehe 6.1) wird deutlich, dass Lerner relativ wissenschafts-
nahe Vorstellungen vom naturwissenschaftlichen Vorgehen haben. Unterschie-
de zeigen sich jedoch in der Bewertung und Ausführung einzelner Punkte (Iso-
lation von Variablen, Sicherstellung der Wiederholbarkeit).
6.3 Lernervorstellungen zum Experimentieren auf der Metaebene
Nachdem die Lerner ein Untersuchungsdesign zum Problem des Haarwachs-
tums als Kontext entwickelt hatten, wurden sie weiterhin aufgefordert, die ein-
zelnen Schritte einer naturwissenschaftlichen Untersuchung explizit zu
(be)nennen. Die Antworten wurden entsprechend aufbereitet, um sie den vorher
genannten Vorstellungen vom Untersuchungsdesign gegenüber stellen zu kön-
nen.
Tab. 5: Schritte naturwissenschaftlicher Untersuchungen.
Jana Hans Steffen
Problem Problem
↓ ↓
Arbeit mit Theorie
↓
Durchführung einer Durchführung einer Durchführung einer
Untersuchung Untersuchung Untersuchung
↓ ↓ ↓
Stetige Verbesserung
der Untersuchung
↓
Auswertung der
Daten
Formulierung einer Formulierung einer
Theorie Theorie
Alle untersuchten Lerner sind somit in der Lage, bestimmte Schritte einer an
einem Problem geplanten Untersuchung zu benennen und mit Inhalt zu füllen.
Im Gegensatz zu den Vorstellungen vom Experimentieren im Kontext des
»haarigen Problems« sind die Vorstellungen ohne diesen Kontext stark redu-
ziert. So äußert Jana im kontextunabhängigen Teil des Interviews lediglich,
dass „Experimente aus einem Problem entstehen und fortlaufend verbessert
werden”, während Hans dort erklärt, dass „Experimente durch ausgiebige Un-
tersuchungen und anschließendes Arbeiten mit der Theorie” charakterisiert
sind – ohne den Ursprung dieser Theorie zu benennen. Steffen hingegen äußert18 K. Niebert & H. Gropengießer im kontextunabhängigen Teil des Interviews ein differenziertes Verständnis vom Experimentieren: „Experimente bestehen aus einem Problem, einer Über- legung, der Durchführung und der Auswertung“. 6.4 Qualität der entwickelten Untersuchungsdesigns Neben der Nennung einzelner Untersuchungsschritte (6.2 und 6.3) wurde auch die Qualität der Untersuchungsdesigns dahingehend untersucht, ob die Prob- lemstellung »Wachsen Haare schneller, wenn man sie öfter schneidet?« mit den entwickelten Designs überhaupt lösbar ist. Insgesamt kann festgestellt werden, dass die Entwürfe von Jana (siehe Tab. 2) und Hans dem Untersuchungsdesign des Wissenschaftlers ähneln und zur Beantwortung der Problemstellung beitra- gen können. Die Herangehensweise ist jedoch unterschiedlich: Der Wissen- schaftler plant das Experiment anhand eines statistischen Analyseverfahrens und testet mögliche Einflussfaktoren im Vorfeld, während die Lerner Einfluss- faktoren aufgrund von Vermutungen antizipieren und diese ohne weiteres in ihr Untersuchungsdesign einbeziehen. Jana und Hans überbewerten jedoch die Be- deutung von einzelnen Belegen und unterschätzen ihre Interpretation bezie- hungsweise die statistische Analyse der Daten. Der Untersuchungsentwurf von Steffen ist dagegen nicht dazu geeignet, die Forschungsfrage zu bearbeiten, un- ter anderem deshalb, weil er an keiner Stelle die Eingangsvoraussetzungen sei- ner Probanden klärt: »Man vergleicht die Haarwuchsgeschwindigkeit von langhaarigen Frauen mit der Wuchsgeschwindigkeit von kurzhaarigen Män- nern. Wenn die Haare der Männer schneller wachsen, stimmt die These [...]« . Die Anfangsbedingungen sind somit völlig unklar. Dass Steffen eine Beobach- tung und kein Experiment plant, wird ihm ebenfalls an keiner Stelle der Unter- suchung bewusst. Es wird somit deutlich, dass Steffen wohl Vorstellungen von einer Problemlösung hat, aber nicht in der Lage ist, dies auch tatsächlich in ei- nem Untersuchungsdesign adäquat umzusetzen. 6.5 Fazit Zusammenfassend können somit folgende Ergebnisse formuliert werden: • In der Fachlichen Klärung konnten einzelne Elemente eines wissenschaftli- chen Experiments identifiziert und expliziert werden (Tab. 1). Eine aktuelle wissenschaftstheoretische Darstellung eines biologischen Experiments bleibt ein Desiderat. • Es wurden zwei Denkfiguren zum Experimentieren gefunden: das rezeptar- tige und das wissenschaftsorientierte Vorgehen.
Wachsen Haare schneller, wenn man sie öfter schneidet? 19 • Es wird deutlich, dass Lerner eine Problemstellung mithilfe eines Experi- ments lösen können, ohne die dazugehörige Theorie verstanden zu haben. Sie können somit eine Aufgabe praktisch bearbeiten, ohne ihr Vorgehen auf einer Metaebene explizieren zu können. • In dieser Untersuchung konnte keine klare Verbindung zwischen den Vor- stellungen über Untersuchungsdesigns und der Fähigkeit zur adäquaten Pla- nung eines Experiments gefunden werden. 7 Konsequenzen für die Vermittlung Die von den Lernern vorgeschlagene »rezeptartige Untersuchung« mit ihrer Abfolge »Untersuchung → Verbesserung der Untersuchung → Auswertung« ist in dieser Weise nicht in den Vorstellungen der Wissenschaftler wieder zu finden. Es ist zu vermuten, dass diese Vorstellungen auf unterrichtliche Expe- rimentiererfahrungen zurückzuführen sind, da die Schüleraktivität hier häufig auf ein Abarbeiten eines vorgegebenen Experimentierschemas reduziert wird (RYAN et al. 1992; AIKENHEAD 1987). Zum Verständnis naturwissenschaftlichen Vorgehens muss somit deutlich gemacht werden, dass Naturwissenschaftler nicht sofort beginnen zu experi- mentieren, wenn sie eine Untersuchung durchführen, sondern der Problemlö- sungsprozess schon vorher beginnt: Bevor ein Experiment durchgeführt werden kann, muss ein Problem erst erkannt und eingegrenzt werden, dann wird nach der Hypothesenbildung die Suche im Experiment-Suchraum durchgeführt, um eine adäquate Lösungsmöglichkeit zu finden. Schüler müssen also lernen, eine zu einem Problem adäquate Untersuchung zu planen und diese auszuwerten. In der didaktischen Literatur sind bereits mehrere Unterrichtskonzepte beschrie- ben und evaluiert, mithilfe derer das naturwissenschaftliche Arbeiten geübt werden kann (z. B. MAYER 2002; HAMMANN 2004; REHOREK 2004; KRUPA 2005). Dabei ist es allerdings nicht angebracht, den Lernern ein bestimmtes Sche- ma naturwissenschaftlichen Arbeitens zu vermitteln, da dies nicht der tatsächli- chen Arbeit eines Wissenschaftlers entspricht. Vielmehr sollten Lerner in Lehr- Lernsituationen ganz unterschiedliche Problemstellungen lösen. Genau wie ein Naturwissenschaftler seine Herangehensweise von der jeweiligen Problemstel- lung abhängig macht, sollten Lerner in die Lage versetzt werden, Probleme selbstständig zu erkennen, Hypothesen zu bilden, Experimente zu entwickeln, durchzuführen und auszuwerten. Aufgabe der Lehrkraft ist es nicht, diesen Prozess direkt zu steuern, sondern den Lernern Kriterien an die Hand zu geben,
20 K. Niebert & H. Gropengießer anhand derer die Wissenschaftlichkeit einer Untersuchung überprüft werden kann. Dazu können Lerner mit Fragestellungen konfrontiert werden, die sich an den in der fachlichen Klärung herausgearbeiteten Aspekten des Experimentie- rens (Tab. 1) orientieren. Betrachtet man naturwissenschaftliche Forschung als eine elaborierte Form des Problemlösens (KLAHR 2002), sollten Lerner mithilfe der in den naturwis- senschaftlichen Fächern gelernten Lösungsstrategien in der Lage sein, diese auch in andere Bereiche zu übertragen. Problematisch erscheint jedoch der Begriff des »Problemlösens«. Naturwissenschaftliche »Probleme« im eigentli- chen Sinne werden eher von Technikern und Ingenieuren gelöst. Ein rein na- turwissenschaftliches Vorgehen besteht darin, Phänomene zu erzeugen, zu be- schreiben und schließlich zu erklären. Die hier vorgestellte Untersuchung bewegt sich in einem Bereich, der – be- sonders in der angloamerikanischen Didaktik – als Lehre von der »Natur der Naturwissenschaften« (»nature of science«) bezeichnet wird. Wie im Laufe dieser Arbeit auch deutlich geworden ist, ist der Begriff »Natur der Naturwis- senschaften« jedoch irreführend, da »Natur« etwas Natürliches kennzeichnet, welches ohne das Zutun des Menschen entstanden ist. Das Vorgehen der Na- turwissenschaften ist jedoch keinesfalls natürlich, unumstößlich oder unverän- derlich, sondern von Menschen erdacht und im Rahmen kultureller Entwick- lung und intersubjektiven Austauschs entstanden (WOLPERT 1993). Von daher wäre es angemessener, von einer »Kultur der Naturwissenschaften« zu spre- chen. Dies könnte nicht nur Lernern, sondern auch Lehrern das Vorgehen na- turwissenschaftlichen Forschens, das Zustandekommen und die soziale Be- dingtheit naturwissenschaftlichen Wissens wesentlich deutlicher vor Augen führen. Zitierte Literatur AIKENHEAD, G.S. (1987): High-school graduates' beliefs about science-technologysociety. III. Char- acteristics and limitations of scientific knowledge. Science Education 71 (2), 145-161. DUIT, R. & D.F. TREAGUST (1998): Learning in Science – From behaviourism towards social con- structivism and beyond. In: B. FRASER & K. TOBIN (Hrsg.): International handbook of science education. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 3-26. DUIT, R. (1995): Zur Rolle der konstruktivistischen Sichtweise in der naturwissenschafts- didaktischen Lehr-Lernforschung. Zeitschrift für Pädagogik 41 (6), 905-926. FEYERABEND, P. (1983): Wider den Methodenzwang. Suhrkamp, Frankfurt am Main. GERSTENMAIER, J. & H. MANDL (1995): Wissenserwerb unter konstruktivistischer Perspektive. Zeit- schrift für Pädagogik 41 (6), 867-888.
Wachsen Haare schneller, wenn man sie öfter schneidet? 21 GROPENGIEßER, H. (2005): Qualitative Inhaltsanalyse in der fachdidaktischen Lehr-Lernforschung. In: P. MAYRING & M. GLÄSER-ZIKUDA: Die Praxis der Qualitativen Inhaltsanalyse. Beltz, Wein- heim Basel. HAMMANN, M. (2004). Kompetenzentwicklungsmodelle: Merkmale und ihre Bedeutung – darge- stellt anhand von Kompetenzen beim Experimentieren. Mathematischer und Naturwissenschaftli- cher Unterricht 57 (4), 196-203. KATTMANN, U. & H. GROPENGIEßER (1998): Schulnahe fachdidaktische Lehr-Lernforschung: Das Modell der Didaktischen Rekonstruktion. Oldenburger Vordrucke 364. Carl von Ossietzky Uni- versität, Oldenburg. KATTMANN, U. (2003): „Vom Blatt zum Planeten“ – Scientific Literacy und kumulatives Lernen im Biologieunterricht und darüber hinaus. In: B. MOSCHNER, H. KIPER & U. KATTMANN: PISA 2000 als Herausforderung. Schneider Verlag Hohengehren, Baltmannsweiler, 115-137. KLAHR, D. (2002): Exploring Science: The Cognition and Development of Discovery Processes. MIT Press, Cambridge. KÖHLER, K. (2004): Welche fachgemäßen Arbeitsweisen werden in der Biologie eingesetzt? In: U. SPÖRHASE-EICHMANN & W. RUPPERT (Hrsg.): Biologiedidaktik – Praxishandbuch für die Se- kundarstufe I und II. Cornelsen-Scriptor, Berlin. KRUPA, J. (2005): Does Wedding Rice Cause Birds To Explode or Were Ann Landers, Martha Stew- art & Bart Simpson Wrong? The American Biology Teacher 67 (4), 223-230. MAYRING, P. (2003): Qualitative Inhaltsanalyse – Grundlagen und Techniken. Deutscher Studien Verlag, Weinheim. MAYER, J. (2002): Vom Schulversuch zum Forschenden Unterricht. URL www.sinus- transfer.de/index.php?id=113 MITTELSTRASS, J. (1996) (Hrsg.): Enzyklopädie Philosophie und Wissenschaftstheorie, Bibliogra- phisches Institut, Mannheim Zürich Wien. NIEDERSÄCHSISCHES KULTUSMINISTERIUM (1999): Rahmenrichtlinien für die gymnasiale Oberstufe. Hannover. OECD (2001): Lernen für das Leben – Erste Ergebnisse von PISA 2000. OECD (2004): Lernen für die Welt von morgen – Erste Ergebnisse von PISA 2003. POPPER, K.R. (1935; 8. Auflage 1984): Logik der Forschung. Julius Springer, Wien. REHOREK, S. (2004): Inquiry-Based Teaching. An example of descriptive science in action. The American Biology Teacher 66 (7), 493-499. RYAN, A. & G. AIKENHEAD (1992): Students’ Preconceptions about the Epistemology of Science. Science Education 76 (6), 559-580. STEINER, G. (2001): Lernen und Wissenserwerb. In: A. KRAPP & B. WEIDENMANN: Pädagogische Psychologie. Beltz, Weinheim, 139-205. TERHART, E. (1999): Konstruktivismus und Unterricht. Zeitschrift für Pädagogik 45 (5), 629-647. WOLPERT, L. (1993): The unnatural nature of science. Harward University Press, Cambridge.
Erkenntnisweg Biologiedidaktik 5 22
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